構(gòu)建基于第四代海事衛(wèi)星關(guān)口站的航空安全通信系統(tǒng)
——馬航MH370失聯(lián)事件的思考

· 文|中國交通通信信息中心 郭春啟

中國中央電視臺(tái) 汪惟平

構(gòu)建基于第四代海事衛(wèi)星關(guān)口站的航空安全通信系統(tǒng)
——馬航MH370失聯(lián)事件的思考

· 文|中國交通通信信息中心 郭春啟

中國中央電視臺(tái) 汪惟平

2014年3月8日，馬航MH370客機(jī)失聯(lián)，包括中國在內(nèi)的十多個(gè)國家投入巨大資源搜尋其下落。由于飛機(jī)上安裝了第三代海事航空站，雖然國際海事衛(wèi)星組織為確定搜索方向提供了很多數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，但是第三代航空站已經(jīng)是20年前的技術(shù),只能作為飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）數(shù)據(jù)鏈通道，無法提供準(zhǔn)確位置信息。馬航MH370事件暴露出的漏洞和不足，給予中國很多警示，如果中國民航飛機(jī)發(fā)生類似事件，那么我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)？ 有沒有先進(jìn)的航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)的全球?qū)崟r(shí)跟蹤？基于第四代海事衛(wèi)星關(guān)口站的航空安全通信系統(tǒng)，將為飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)位置監(jiān)控提供新方式。

一、中國海事衛(wèi)星主管部門在馬航事件中的相關(guān)工作

1.信息掌握

事件發(fā)生之后，交通運(yùn)輸部立即啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制，全面啟動(dòng)搜救的相關(guān)工作，并責(zé)成中國海事衛(wèi)星管理部門中國交通通信信息中心和民航局等有關(guān)單位聯(lián)合成立專家組，同國際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）進(jìn)行了密切的溝通、協(xié)調(diào)，并獲取大量相關(guān)信息，對(duì)失聯(lián)客機(jī)海事衛(wèi)星通信記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了解碼、分析、評(píng)估和深入研判。

專家組對(duì)馬航MH370客機(jī)傳輸?shù)腁CARS進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論證，通過解碼并分析其中的403條原始數(shù)據(jù)及7198條通信信令，獲取了飛機(jī)起飛后30分鐘的高度、總?cè)加土俊⑺俣取囟取⑽恢玫戎匾w行數(shù)據(jù)信息；掌握了最后一條ACARS信息是3月8日2時(shí)5分由地面運(yùn)行調(diào)度中心發(fā)出；通過對(duì)信令的分析，確認(rèn)機(jī)載終端與地面網(wǎng)絡(luò)每小時(shí)自動(dòng)交互信號(hào)；基于海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中最后一階段連續(xù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、設(shè)定的飛機(jī)均勻飛行速度以及馬方軍用雷達(dá)最后一次探測到飛機(jī)的位置信息，對(duì)飛機(jī)可能的南線、北線飛行軌跡進(jìn)行了推斷；組織了對(duì)海事衛(wèi)星多普勒效應(yīng)理論分析方法準(zhǔn)確性的分析論證工作。

2.對(duì)信息的研判

1）通過第三代海事衛(wèi)星航空站每隔一個(gè)小時(shí)的脈沖信號(hào)，判斷飛機(jī)在脫離馬來西亞空管區(qū)后繼續(xù)飛行至少5個(gè)小時(shí)；

2）應(yīng)用衛(wèi)星信號(hào)仰角和“多普勒效應(yīng)”原理，確定飛機(jī)南北兩條可能飛行軌跡；

3）通過數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)一步判斷飛機(jī)南線飛行的可能性，并確定了衛(wèi)星最后一次接收到自動(dòng)信號(hào)時(shí)飛機(jī)的時(shí)點(diǎn)；

4）根據(jù)多普勒效應(yīng)理論和相關(guān)數(shù)據(jù)，確定客機(jī)最后一階段的速度變化。

根據(jù)多普勒效應(yīng)理論，由MH370七個(gè)時(shí)間點(diǎn)的多普勒頻移數(shù)據(jù)，可計(jì)算出當(dāng)時(shí)衛(wèi)星與飛機(jī)的“相對(duì)速度”。由于衛(wèi)星的位置（64.5°E）是已知的，可以通過“相對(duì)速度”推斷出飛機(jī)的航向與航速之間的關(guān)系，建立了多普勒頻移與航速、航向的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)馬航提供的MH370飛行速度，基本排除了飛機(jī)向北線飛行的可能性。通過上述數(shù)學(xué)模型對(duì)其他幾次航班(南向吉隆坡至悉尼，北向吉隆坡至倫敦、吉隆坡至北京等）的多普勒頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與相關(guān)的多普勒頻移歷史數(shù)據(jù)吻合。

CMDS軟件初篩結(jié)合人工審核模式在我院中成藥處方點(diǎn)評(píng)中的應(yīng)用實(shí)踐 ………………………………… 沈劍文等（16）：2278

二、可提供航空安全通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，經(jīng)過國際民航組織（ICAO）認(rèn)證，能夠?yàn)槊窈斤w機(jī)提供前艙安全通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)只有海事衛(wèi)星、銥星和日本的MTSAT衛(wèi)星系統(tǒng)。由于MTSAT系統(tǒng)只能提供區(qū)域衛(wèi)星服務(wù)，所以本文主要介紹海事衛(wèi)星和銥星系統(tǒng)。

1.海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹

國際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）是一個(gè)提供全球范圍內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)通信的政府間合作機(jī)構(gòu)，成立于1979年，初期旨在為海上用戶提供衛(wèi)星通信服務(wù)，現(xiàn)已發(fā)展為世界上唯一為海陸空用戶提供全球衛(wèi)星移動(dòng)公眾通信和遇險(xiǎn)安全通信的業(yè)務(wù)提供者。Inmarsat 支持的用戶服務(wù)在海事應(yīng)用上包括直撥電話、傳真、電子郵件和數(shù)據(jù)連接；航空應(yīng)用包括駕駛艙安全話音、數(shù)據(jù)、自動(dòng)位置與狀態(tài)報(bào)告和直撥旅客電話；陸地應(yīng)用包括微型衛(wèi)星電話、傳真、數(shù)據(jù)和運(yùn)輸上的雙向數(shù)據(jù)通信、位置報(bào)告、電子郵件和車隊(duì)管理等。Inmarsat 使用幾種不同的移動(dòng)通信系統(tǒng)，通過一系列終端向用戶提供不同的服務(wù)，其中包括Inmarsat－A、C、B/M、Aero/Mini-M、F 等系統(tǒng)。

Inmarsat從1986年經(jīng)過國際民航組織認(rèn)證之后，開始提供航空的安全通信服務(wù)。其航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)與海上或地面移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)有明顯差異，例如飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)比較嚴(yán)重、機(jī)載站高功率放大器的輸出功率和天線的增益受限，以及多徑衰落嚴(yán)重等。因此，在航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采取了許多技術(shù)措施，如采用C類放大器提高全向有效輻射功率（EIRP）；采用相控陣天線，使天線自動(dòng)指向衛(wèi)星；采用前向糾錯(cuò)編碼、比特交織、頻率校正和增大天線仰角，以改善多普勒頻移和多徑衰落的影響。

作為唯一一個(gè)經(jīng)國際民航組織和國際海事組織批準(zhǔn)的能夠在航空和海洋提供遇險(xiǎn)安全服務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，Inmarsat是唯一一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行三十多年的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前全球約有85％的民航飛機(jī)安裝的是海事衛(wèi)星航空系統(tǒng)。但是，由于采用同步軌道衛(wèi)星，無法覆蓋南北極的極點(diǎn)區(qū)域，對(duì)于飛行極地航線（如北京-華盛頓航線）的飛機(jī)大約有1個(gè)多小時(shí)的影響。

2.銥星通信系統(tǒng)介紹

銥星移動(dòng)通信系統(tǒng)誕生于1998年，其星座包括66顆低軌道衛(wèi)星，組成6個(gè)軌道的平面，包括了極地軌道，形成全球覆蓋。星上采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和交換技術(shù)，并通過星際鏈路實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)處理和交換。這種先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其全球只需要一個(gè)關(guān)口站即可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信接續(xù)的全部過程。

目前，銥星的商用關(guān)口站設(shè)在美國亞利桑那州，主要在衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)之間提供中繼連接，并承擔(dān)管理銥星內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路的功能。銥星在美國弗吉尼亞州設(shè)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心，提供衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制和支持服務(wù)。該系統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)工作在L頻段（1616-1625.5MHz），而星際鏈路、地面上行和下行鏈路則采用Ka頻段的頻率。

銥星系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是其良好的覆蓋性能，可達(dá)到全球覆蓋。極地軌道使得銥星系統(tǒng)可以在南北兩極提供暢通的通信服務(wù)。銥星系統(tǒng)是唯一可以實(shí)現(xiàn)在兩極通話的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要用來語音通信，數(shù)據(jù)速率僅為2.4kbit/s。但由于美國銥星公司和美國國防部的密切關(guān)系，使得銥星在部分國家和地區(qū)沒有開放服務(wù)。而在中國，由于銥星和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率重疊，中國電信主管部門僅在航空的部分領(lǐng)域開放銥星系統(tǒng)，暫時(shí)允許同時(shí)在天上不超過30架次民航飛機(jī)飛行的特殊政策，以滿足西部地區(qū)甚高頻覆蓋不足的問題。

三、第四代海事衛(wèi)星系統(tǒng)介紹

Inmarsat于2005年發(fā)布了第四代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)—BGAN。BGAN系統(tǒng)繼承了具備終端小巧、便于攜帶、操作簡單的特點(diǎn)，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上突破了以往系統(tǒng)基于電路交換的技術(shù)體制，其空間段依照3GPP技術(shù)體制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的IP數(shù)據(jù)交換功能，是真正意義上的全球?qū)拵l(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)（覆蓋南、北緯78°以內(nèi)）。作為新一代移動(dòng)衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)，BGAN實(shí)現(xiàn)了單個(gè)信道可提供492kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并借助先進(jìn)的衛(wèi)星信道保障帶寬技術(shù)，滿足各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用需求。

Inmarsat四代星采用了先進(jìn)的點(diǎn)波束技術(shù)，每一顆衛(wèi)星上有1個(gè)全球波束、19個(gè)寬點(diǎn)波束、193個(gè)窄點(diǎn)波束。先進(jìn)的衛(wèi)星星體技術(shù)使得衛(wèi)星終端的體積較第三代終端體積減少了50％。特別是Inmarsat依據(jù)多年在應(yīng)急通信領(lǐng)域的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，在四代星上創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)星體通信資源的整合調(diào)配技術(shù)，可滿足在熱點(diǎn)區(qū)域衛(wèi)星地面終端使用數(shù)量劇增的通信需求，并在汶川地震、海地地震、日本海嘯等多次重大事件中得到了應(yīng)用。

2013年，第四代海事衛(wèi)星地面站北京關(guān)口站建成并投入使用，同時(shí)，北京關(guān)口站是全球第三個(gè)四代星的關(guān)口站，也是唯一一個(gè)國家級(jí)關(guān)口站。按照我國電信法規(guī)要求，中國境內(nèi)領(lǐng)空、領(lǐng)土、領(lǐng)海的所有四代海事衛(wèi)星終端都將強(qiáng)制在北京關(guān)口站落地。該關(guān)口站的建成，為提供我國民航安全通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

★ 第四代星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

四、構(gòu)建基于第四代海事衛(wèi)星的航空安全通信系統(tǒng)

馬航MH370客機(jī)失聯(lián)事件，使得全球聚焦飛機(jī)的安全通信系統(tǒng)。目前為民航提供ACARS的系統(tǒng)主要通過甚高頻（VHF）和衛(wèi)星通信。由于VHF的覆蓋范圍有限，衛(wèi)星通信系統(tǒng)是作為VHF的有效補(bǔ)充。那么選用什么樣的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)民航公司而言是個(gè)非常重要的選擇。

雖然Inmarsat為馬航MH370客機(jī)的搜索提供了很多數(shù)據(jù)，并同英國航空事故調(diào)查處（AAIB）依據(jù)海事衛(wèi)星的信令信號(hào)進(jìn)行了大量的分析，為搜索方位進(jìn)行了預(yù)判。但是，由于此次馬航客機(jī)使用的是第三代海事衛(wèi)星航空終端，該系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行近20年，其航空終端工作在衛(wèi)星的全球波束中，無法在系統(tǒng)中查詢到終端準(zhǔn)確的位置信息，只能依據(jù)終端到衛(wèi)星的延時(shí)及天線的姿態(tài)來進(jìn)行判斷分析。

隨著全新的四代星航空系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，基于此構(gòu)建海事衛(wèi)星航空安全系統(tǒng)，成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。

第四代海事衛(wèi)星航空安全通信系統(tǒng)，具備如下優(yōu)勢(shì)：

1）由于每顆四代星有193個(gè)窄點(diǎn)波束，航空終端需要內(nèi)置的GPS位置來定位工作點(diǎn)波速，每個(gè)點(diǎn)波束的覆蓋范圍在 200～800km2。

2）由于飛機(jī)穿越點(diǎn)波束的頻率較快，系統(tǒng)預(yù)設(shè)航空站每2分鐘發(fā)一次GPS位置，以確定工作的波束。這樣在地面站系統(tǒng)中將會(huì)保留所有的飛機(jī)位置信息。

3）北京海事衛(wèi)星關(guān)口站的建成，為實(shí)現(xiàn)我國民航飛機(jī)的基于衛(wèi)星的位置實(shí)時(shí)監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。

★ 第四代北京關(guān)口站

4）四代星的業(yè)務(wù)能力有了極大的提升，保留三代星的功能，其數(shù)據(jù)傳輸能力有了大幅提升，單個(gè)信道的最高速率可以達(dá)到432kbit/s，極大地拓寬了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電子飛行包（EFB）、氣象信息、飛機(jī)健康系統(tǒng)等更多的內(nèi)容。

5）四代航空終端傳輸性能有了極大的提升，價(jià)格有了大幅的優(yōu)惠。目前，據(jù)中國海事衛(wèi)星運(yùn)營商-北京船舶通信導(dǎo)航公司介紹，其衛(wèi)星電話為1.1美元/分鐘；基于IP的數(shù)據(jù)傳輸為7美元每MB，如果采用套餐資費(fèi)，還會(huì)有大幅的優(yōu)惠。

6）目前，英國COBHAM公司的小型化四代星航空站已經(jīng)和美國航天無線電通信公司（ARINC）推出了基于IP鏈路的ACARS數(shù)據(jù)鏈整體解決方案，極大降低航空公司的運(yùn)行成本。

五、結(jié)束語

目前，我國民航飛機(jī)安裝的主要衛(wèi)星通信設(shè)備依然為海事衛(wèi)星三代星設(shè)備，作為一個(gè)已經(jīng)使用近20年的系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足目前航空界日益快速發(fā)展的數(shù)據(jù)傳輸需求，也無法面對(duì)日趨嚴(yán)重的全球政治環(huán)境。目前，國際民航組織正在聯(lián)合Inmarsat、相關(guān)設(shè)備廠商、夏威夷航空公司等全面測試第四代海事衛(wèi)星航空站傳輸尋址式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-C）和未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)（FANS）數(shù)據(jù)，并希望更多的航空公司參與測試。Inmarsat預(yù)計(jì)按照目前的工作計(jì)劃，四代星航空站將在2015年第二季度獲得安全通信認(rèn)證，正式在民航飛機(jī)傳輸ADS-C和FANS安全數(shù)據(jù)。

基于北京第四代海事衛(wèi)星關(guān)口站的航空安全通信系統(tǒng)的建立，不僅滿足更多的飛行數(shù)據(jù)傳輸，而且大幅降低了航空公司的運(yùn)營成本，最重要的一點(diǎn)，它為飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)位置監(jiān)控提供了全新的方式。